Loading AI tools
מוויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
השערת עולם ה-RNA היא השערה מדעית בקשר למוצא החיים. על פי ההשערה, צורות החיים הקדומות ביותר בכדור הארץ היו בנויות מ-RNA שמילא הן את תפקיד האנזימים שממלאים היום בעיקר חלבונים והן את תפקיד החומר התורשתי שממלא היום כמעט לחלוטין ה-DNA. לפי השערה זו, כאשר ה-RNA נעטף בקרום ליפידי, נוצרו התאים החיים הראשונים. תאים אלה היו פרוקריוטים.
הגנטיקאי אלכסנדר ריץ' Alexander Rich הציע לראשונה את הרעיון של עולם ה-RNA בשנת 1962,[1] וולטר גילברט טבע את המונח בשנת 1986.[2] בהמשך, הוצעו נתיבים כימיים חלופיים לחיים המסבירים את מוצא החלבונים, השומנים והנוקלאוטידים בעולם של תרכובות הציאנוסולפידים,[3] וייתכן שחיים מבוססי RNA אולי לא היו החיים הראשונים.[2][4] למרות זאת, נראה שהשערת עולם ה-RNA היא כיום פרדיגמת האביוגנזה המועדפת ביותר, אך גם התומכים בתאוריה זו מסכימים שהיא עדיין לא הגיעה לראיות חותכות על מנת לדחות פרדיגמות והשערות אחרות.[5][6] ההיווצרות במקביל של כל ארבעת הנוקלאוטידים שהם אבני הבניין של ה-RNA חיזקה עוד יותר את ההשערה.[7] ללא קשר לסבירות שלו בתרחיש פרה-ביוטי, עולם ה-RNA יכול לשמש כמערכת מודל לחקר מקור החיים.[8]
DNA בדומה ל-RNA יכול לאחסן ולשכפל מידע גנטי. בדומה לאנזימי חלבון, אנזימי RNA הריבוזימים, יכולים לזרז תגובות כימיות שהן קריטיות לחיים.[9] הריבוזום, הוא אחד המרכיבים החשובים ביותר של התא. הוא מורכב בעיקר מ-RNA. חלקי ריבו-נוקלאוטידים המצויים בקו-אנזימים רבים, כגון אצטיל-CoA, NADH ,FADH ו-F420 (אנ') שהוא קואנזים המצוי בהרבה חיידקים. ייתכן ואלה שרידים של קו-אנזימים הקשורים בקשרים קו-וולנטיים ששרדו מעולם ה-RNA.[10] למרות ש-RNA שביר, ייתכן שחלק מה-RNA העתיק פיתח את היכולת לבצע מתילציה של מולקולות RNA אחרות כדי להגן עליהם.[11]
אם עולם ה-RNA היה קיים, כנראה אחריו התפתח עידן הנוקלאופרוטאינים ribonucleoproteins,[2] אשר הוביל אל עידן ה-DNA וליצירה של חלבונים ארוכים יותר. ל-DNA יש יציבות ועמידות גדולים יותר מאשר ל-RNA. זה עשוי להסביר מדוע היא הפכה למולקולת אחסון המידע information storage השולטת.[12] ייתכן שאנזימי חלבון החליפו את הריבוזימים המבוססים על RNA בתור זרזים ביולוגיים, מכיוון שהשפע והמגוון הגדול יותר של מונומרים הופכים אותם למגוון יותר. מכיוון שחלק מהקו-פקטורים מכילים מאפיינים של נוקלאוטידים וחומצות אמינו, ייתכן שחומצות אמינו, פפטידים ולבסוף חלבונים היו בתחילה קו-פקטורים לריבוזימים.[10]
אחד האתגרים בחקר של מוצא החיים-אביוגנזה הוא שמערכת הרבייה והמטבוליזם המשמשת את כל צורות החיים הקיימות קשורה לשלושה סוגים של מקרומולקולות התלויות זו בזו (DNA, RNA וחלבונים). זה מצביע על כך שהחיים לא יכלו להתהוות בצורתם הנוכחית. עובדה זו הובילה את החוקרים להעלות השערה של מנגנונים לפיהם המערכת הנוכחית עשויה להיווצר ממערכת קודמת פשוטה יותר.[13] הביולוג המולקולרי האמריקאי אלכסנדר ריץ' Alexander Rich היה החוקר הראשון שהניח השערה על מקורם של נוקלאוטידים כמבשרי חיים.[14] במאמר שהוא תרם לכרך שהוצא לכבודו של הפיזיולוג חתן פרס נובל אלברט סנט-ג'יורגיי, הוא הסביר שסביבת כדור הארץ הפרימיטיבית הייתה יכולה לייצר מולקולות מונומרים פולינוקליאוטידים-RNA שרכשו פונקציות אנזימטיות ומשכפלות עצמיות.[15] מושג נוסף של RNA כמולקולה קדמונית ניתן למצוא במאמרים של פרנסיס קריק[16] ולסלי אורגל Leslie Orgel[17] וכן בספרו של קרל וואסה Carl Woese משנת 1967
The Genetic Code. תאוריה זו התפרסמה בשם "עולם ה-RNA" בספר בשם זה מאת ולטר גילברט ב-1986.[18] הנס קון Hans Kuhn הציג ב-1972 תהליך אפשרי שבאמצעותו המערכת הגנטית המודרנית עשויה הייתה להיווצר מנוקלאוטידים, אשר הוביל את הרולד ווייט ב-1976 לראות שרבים מהקו-פקטורים החיוניים לתפקוד האנזימטי הם נוקלאוטידים או נגזרות של נוקלאוטידים.[19] הוא הציע תרחיש לפיו התכונות האלקטרוכימיות העיקריות של תגובות אנזימטיות מחייבת שמירה של חלקי הנוקלאוטידים הייחודיים של האנזימים המקוריים המבוססים על RNA, המבצעים את התגובות, בעוד ששאר האלמנטים המבניים של האנזימים הוחלפו בהדרגה בחלבון, עד שכל מה שנותר ממולקולות של ה-RNA המקוריות היו הנוקלאוטידים הללו, שכונו על ידו "מאובנים של אנזימי חומצת גרעין".[20] הביטוי "עולם ה-RNA" הפך לשימוש ילראשונה על ידי חתן פרס נובל וולטר גילברט בשנת 1986, בפרשנות על האופן שבו תצפיות עדכניות על התכונות הקטליטיות של צורות שונות של RNA משתלבות עם השערה זו.[21] דו"ח נאס"א NASA משנת 2011 על מטאוריטים שנמצאו על פני כדור הארץ, הצביע על כך שאבני בניין של RNA (אדנין, גואנין ומולקולות אורגניות נוספות קשורות) עשויות להיווצר בחלל החיצון.[22][23][24] בשנת 2017, מחקר באמצעות מודל מספרי, העלה שייתכן שעולם RNA הופיע בבריכות חמות בכדור הארץ המוקדם, וכי מטאוריטים היו מקור סביר לאבני הבניין של ה-RNA (ריבוז וחומצות גרעין) בסביבות אלו.[25][26] ב-29 באוגוסט 2012, אסטרונומים מאוניברסיטת קופנהגן דיווחו על זיהוי של מולקולת סוכרים, במערכת כוכבים מרוחקת. המולקולה נמצאה סביב הקדם-כוכבי הבינארי IRAS 16293-2422, שנמצא במרחק של 400 שנות אור מכדור הארץ.[27][28] מכיוון שדרוש גליקולאלדהיד ליצירת RNA, ממצא זה מצביע על כך שמולקולות אורגניות מורכבות עשויות להיווצר במערכות כוכבים לפני היווצרותם של כוכבי לכת, ולבסוף להגיע לכוכבי לכת צעירים בשלב מוקדם של היווצרותם.[29] ניטרילים, מבשרי מפתח מולקולריים של תרחיש "עולם ה-RNA", הם בין המשפחות הכימיות הנפוצות ביותר ביקום ונמצאו בעננים מולקולריים במרכז הגלקסיה שביל החלב, מטאוריטים וכוכבי שביט, וגם באטמוספירה. של טיטאן, הירח של כוכב הלכת שבתאי הנחשב לירח הגדול ביותר הידוע לנו.
מחקר משנת 2001 מראה שחומצה ניקוטינית וחומר המוצא של חומצה, חומצה כינולינית, יכולות להיות מופקות בתשואות של עד 7% ברצף לא אנזימטי בן שישה שלבים מחומצה אספרטית ודיהידרוקסיאצטון פוספט (DHAP). הביוסינתזה של פוספט ריבוז יכולה הייתה לייצר DHAP ושלוש תרכובות פחמן אחרות יכלו להיות זמינות מסינתזה פרה-ביוטית או מסינתזת ריבוזימים של פירמידינים ותומך באפשרות ש - NAD יכול היה להופיע בעולם ה-RNA.[30] רצפי RNA באורכים של 30 נוקלאוטידים, 60 נוקלאוטידים, 100 נוקלאוטידים ו-140 נוקלאוטידים, היו מסוגלים לזרז את הסינתזה של שלושה קו-אנזימים נפוצים, CoA, NAD ו-FAD, מהחומרים הראשוניים שלהם, phosphopantetheine, NMN, FMN, FMN, בהתאמה".[31]
ייתכן שהתחרות בין מולקולות ה-RNA הובילה להופעתו של שיתוף פעולה בין שרשראות RNA שונות, וסללה את הדרך להיווצרות התא הראשוני הקדום הראשון. כך התפתחו שרשראות RNA בעלות תכונות קטליטיות המסייעות לחומצות אמינו להתקשר יחד ולסייע בסינתזת RNA, ולהעניק לאותן שרשראות RNA שיכולות לשמש כריבוזימים את היתרון הסלקטיבי. היכולת לזרז שלב אחד בסינתזת חלבון, בתהליך הקרוי אמינואצילציה של RNA, הוכחה באופן מדעי במקטע קצר (חמישה נוקלאוטידים) של RNA.[32] במרץ 2015, מדעני נאס"א דיווחו שלראשונה נוצרו במעבדה תרכובות אורגניות מורכבות של DNA ו-RNA, כולל אורציל, ציטוזין ותימין, בתנאים שנמצאו רק בחלל החיצון, תוך שימוש בכימיקלים התחלתיים, כמו פירמידין, שהוא חומר שנמצא במטאוריטים. לפי המדענים, ייתכן שפירמידין, כמו פחמימנים ארומטיים רב=טבעתיים (PAH), נוצר בכוכבי ענק אדומים או בענני אבק וגזים בין-כוכביים.[33] בשנת 2018, חוקרים במכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה זיהו שלושה תרכובות שייתכן ואלו הן את הגרסאות המוקדמת ביותר של פרוטו-RNA: חומצה ברביטורית, מלמין ו-2,4,6-טריאמינופירמידין (TAP). שלוש המולקולות הללו הן גרסאות פשוטות יותר של ארבעת הבסיסים ב-RNA הנוכחי, שעשויים היו להיות נוכחים בכמויות גדולות יותר ועדיין יכלו להיות בעלות יכולת תואמות לתהליכים עתידיים, המכונות Forward compatibility, אך ייתכן שבהמשך נזנחו על ידי האבולוציה בתמורה לזוגות בסיסים אופטימליים יותר.[34] באופן ספציפי, ידוע ש=TAP יכול ליצור נוקלאוטידים עם מגוון גדול של סוכרים.[35] ידוע שהן TAP והן מלמין מתרכבים עם חומצה ברביטורית ושלושתם יוצרים באופן ספונטני נוקלאוטידים עם ריבוז.[36]
נוקלאוטידים הם המולקולות הבסיסיות שמשתתפות ביצירת RNA. הם מורכבים מבסיס חנקני המחובר לעמוד השדרה של סוכר-פוספט. RNA עשוי מקטעים ארוכים של נוקלאוטידים ספציפיים המסודרים כך שרצף הבסיסים שלהם נושא מידע. "השערת עולם ה-RNA" גורסת שבמרק הקדום היו נוקלאוטידים צפים חופשיים אשר יצרו בקביעות קשרים זה עם זה, ושלעיתים קרובות נשברו כי השינוי באנרגיה היה כה נמוך. עם זאת, לרצפים מסוימים של זוגות בסיסים יש תכונות קטליטיות המורידות את האנרגיה של השרשרת הנוצרת שלהם, מה שמאפשר להם להישאר יחד לפרקי זמן ארוכים יותר. ככל שכל שרשרת התארכה, היא משכה יותר נוקלאוטידים תואמים מהר יותר, מה שגרם לשרשרות להיווצר מהר יותר ממה שהן מתפרקות.
השערת עולם ה-RNA נתמכת על ידי מספר תכונות חשובות של ה-RNA, אשר התגלו במחצית האחרונה של המאה ה-20. אלה כוללות את היכולת של מולקולות RNA בודדות לאחסן, להעביר ולשכפל מידע גנטי בדומה ל-DNA וכן להיות זרז של תהליכים כימיים בדומה לאנזימים. בשל יכולות אלה לשלב פעילויות של DNA וחלבונים, חוקרים רבים מאמינים שפעם ל-RNA המוכר לנו היום הייתה יכולת קיום עצמאית ושהיא הבסיס ליצירה של החיים. השערת עולם ה-RNA קיבלה חיזוק ניכר בשנת 2001 לאחר שעדה יונת כלת פרס נובל בשנת 2009, פענחה את מבנה הריבוזום וחשפה כי כלל הפעילות הקטליטית הדרושה לסינתזת חלבון מתבצעת למעשה על ידי RNA ריבוזומלי. בשנת 2017 הראתה סימולצית מחשב כי קיימת התכנות להיווצרות עולם RNA בשלוליות חמימות בתנאי כדור הארץ הקדום, וכי ההשערה שאבני הבניין הנדרשות לתהליך סופקו על ידי מטאוריטים היא מתקבלת על הדעת.[37] תכונותיו של ה-RNA הופכות את הרעיון של השערת עולם ה-RNA למתקבלת על הדעת, אם כי קבלתו הכללית כהסבר למקור החיים דורשת ראיות נוספות.[38] RNA ידוע כיוצר זרזים יעילים והדמיון שלו ל-DNA מבהיר את יכולתו לאגור מידע. עם זאת, הדעות חלוקות בשאלה האם RNA היווה את המערכת האוטונומית המשכפלת עצמית הראשונה או היה נגזרת של מערכת קודמת.[2] גרסה אחת של ההשערה היא שסוג אחר של חומצת גרעין, המכונה para-RNA הייתה הראשונה שהופיעה כמולקולה המסוגלת לשכפל את עצמה באופן עצמאי, אשר הוחלפה מאוחר יותר ב-RNA. התגלית ב-2009 שניתן לסנתז ריבונוקלאוטידים של פירמידין פעילים בתנאים קדם - ביוטיים מתקבלים על הדעת[39] מצביע על כך שמוקדם מדי לפסול את תרחישי ה-RNA-first.[2] הצעות לחומצות גרעין 'פשוטות' פרה-RNA כללו חומצת גרעין פפטידית (PNA), חומצת גרעין טראוז (TNA) Threose nucleic acidאו חומצת גרעין גליקול (GNA) Glycol nucleic acid.[40][41] למרות הפשטות המבנית של חומצות גרעין אלה ולמרות היותן בעלות תכונות דומות ל-RNA, טרם הוכחה היכולת ליצירת חומצות גרעין "פשוטות" יותר בתנאים קדם-ביוטיים.[42]
רוב הפעילות האנזימטית בתאים החיים כיום נעשית על ידי חלבונים. אולם חלק מהפעילות האנזימטית בתאים מתבצע על ידי RNA קטליטי והפעילות האנזימטית הזו. שם נוסף ל-RNA קטליטי הוא הריבוזים, אנזים הבנוי מ-RNA והמסוגל לבצע פעילות קטליטית, בדומה לחלבונים רבים. ה-RNA הראשון מסוג זה שהתגלה היה RNA שחותך את עצמו, RNA שהתגלה במחקריו של תומאס צ'ק בשנת 1982, מחקר שזיכה אותו בנובל 7 שנים מאוחר יותר. שנתיים לאחר מכן התגלה RNA נוסף שיכול לעשות פעילות קטליטית, ה-tRNA, מחקר שזיכה את המגלה, סידני אלטמן גם כן בפרס נובל יחד עם תומאס צ'ק.
בשנות ה-80 התגלו מבנים של RNA המסוגלים לעיבוד עצמי,[43] כאשר חלק ה-RNA של האנזים Ribonuclease P משמש כתת-יחידה קטליטית שלו.[44] RNA קטליטיים אלה כונו אנזימי RNA, או ריבוזימים המצויים ביצורים חיים בעלי DNA של ימינו ויכולים להיות דוגמאות למאובנים חיים. ריבוזימים ממלאים תפקידים חיוניים, כמו זה של הריבוזום. תת-היחידה הגדולה של הריבוזום כוללת rRNA האחראי לפעילות הפפטידיל טרנספראז היוצרות קשרי פפטיד בסינתזת החלבון. קיימות פעילויות רבות אחרות של ריבוזים, לדוגמה, ריבוזים המכונה hammerhead ribozyme המבצע ביקוע עצמי[45] וריבוזים של RNA פולימראז שיכול לסנתז גדיל RNA קצר מתבנית RNA מוכנה.[46] בין התכונות האנזימטיות החשובות לתחילת החיים הן: שכפול עצמי או סינתזה של מולקולות RNA אחרות, תהלכי קטליזה המזרזת יצירת בלוקים של מולקולות RNA[47][48], קשירת חומצת אמינו למולקולת RNA על מנת ליצור הסתעפות של שרשרת אליפטיות[49], יכולת ליצירת קשרים פפטידיים בין חומצות אמינו ועל ידי כך יצירת פפטידים קצרים או חלבונים בעלי מולקולות ארוכות.[50][51] האנזימים שהם מולקולות של חלבונים מזרזים תגובות כימיות שונות, אך למעלה ממחציתם משלבים קו-פקטורים כדי להקל ולגוון את הפעילות הקטליטית שלהם.[52] הקו-פקטורים מבוססים בעיקר על נוקלאוטידים ולא על חומצות אמינו. ריבוזימים משתמשים בקו פקטורים של נוקלאוטידים כדי ליצור חילוף חומרים, עם שתי אפשרויות בסיסיות: קישור לא קוולנטי או התקשרות קוולנטית. שתי הגישות הוכחו תוך שימוש באבולוציה מכוונת כדי להמציא מחדש טמונות RNA של תהליכים מזורזים של חלבון. במחקר על[53] ריבוזימים בעלי יכולת לזרחן את עצמם ולהשתמש ב-ATP-γS כסובסטרט נמצא שרק לאחת משבע קבוצות הריבוזימים שנבחרו הייתה זיקה ל-ATP. ממצא זה מעיד על כך שהיכולת לקשור ATP נפגעה. נבדקו גם ריבוזימים תלויי חיזור NAD.[54] לריבוזים המובחר היה קצב שיפור של יותר מפי 107 והוכח כמזרז את התגובה ההפוכה - הפחתת בנזאלדהיד על ידי NADH.[55] מכיוון שהשימוש באדנוזין כקו-פקטור נפוץ במטבוליזם הנוכחי וסביר להניח שהיה נפוץ בעולם ה-RNA. תגליות אלו חיוניות להבנת האבולוציה של חילוף החומרים בעולם ה-RNA.
RNA הוא מולקולה דומה מאוד ל-DNA. שני הבדלים כימיים מהותיים קיימים בין RNA ל-DNA: עמוד השדרה של ה-RNA משתמש בריבוז במקום בדאוקסיריבוז והנוקלאו-בסיסים שלו כוללים אורציל במקום תימין. המבנה הכללי של RNA ו-DNA דומים מאד. גדיל אחד של DNA ואחד של RNA יכולים להתקשר ליצירת מבנה של סליל כפול המאפשר את אחסון המידע ב-RNA בצורה דומה מאוד לאחסון המידע ב-DNA. עם זאת, RNA פחות יציב, ונוטה יותר להידרוליזה עקב נוכחות של קבוצת הידרוקסיל במיקום הריבוז 2' במולקולה.[38] קבוצה זו הופכת את המולקולה לפחות יציבה מכיוון שאינה מוגבלת בסליל כפול, וההידרוקסיל 2' יכול לתקוף כימית את הקשר הפוספו-דיאסטר הסמוך כדי לבקע את עמוד השדרה של הפוספו-דיאסטר. כמו כן, קבוצת ההידרוקסיל מאלצת את הריבוז לתוך המבנה של הסוכר C3'-, בניגוד למבנה C2'- אנדו של סוכר הדאוקסיריבוז ב-DNA. זה מאלץ סליל כפול של RNA לשנות ממבנה B-DNA למבנה הדומה יותר ל-A-DNA.[56] מבחינת זיווג בסיסי, אין לזה שום השפעה. אדנין קושר בקלות אורציל או תימין. לעומת זאת, ציטוזין הופך את ה-RNA לרגיש במיוחד למוטציות שיכולות להחליף זוג בסיסים GC בזוג בסיסים GU או AU. ההנחה היא ש-RNA קדם ל-DNA, בגלל הסדר שלהם במסלולים הביוסינתטיים.[4] הדסאוקסינוקלאוטידים המשמשים לייצור DNA עשויים מריבונוקלאוטידים ribonucleotides, אבני הבניין של RNA, על ידי הסרת קבוצת 2'-hydroxyl. המסקנה המתבקשת היא כי לתא החי חייבת להיות היכולת ליצור RNA לפני היכולת ליצור DNA. התכונות הכימיות של ה-RNA הופכות מולקולות RNA גדולות לשבירות מטבען, וניתן בקלות לפרק אותן לנוקלאוטידים על ידי הידרוליזה.[57][58] מגבלות אלו אינן הופכות את השימוש ב-RNA כמערכת אחסון מידע לבלתי אפשרית, אלא לנזקקות לאנרגיה רבה יותר על מנת לתקן או להחליף מולקולות RNA פגומות, ונוטה למוטציות. למרות שזה הופך אותו לא מתאים לחיים הנוכחיים, ייתכן שזה היה קיים בחיים קדומים יותר.
נמצא כי ריבוסוויצ'ים Riboswitch פועלים כמווסתים של ביטוי גנים, במיוחד בחיידקים, אך גם בצמחים על-ממלכת הארכאונים. הם משנים את המבנה השניוני שלהם בתגובה לקשירה של מטבוליט. לשיעורי כמויות ה-Riboswitch יש תחומים הקרויים אפטמרים Aptamer שמורים מאוד,[59] לחלופין, ריבוזוויצ'ים עשויים לאגד או לחסום את רצף Shine-Dalgarno, הקיים רק ביצורים פרוקריוטים.[60] ייתכן כי מקורם בעולם הקדום שהיה מבוסס על RNA.[61] בנוסף, מדי החום של RNA,
RNA thermometers. מווסתים את ביטוי הגנים בתגובה לשינויי טמפרטורה.[62]
בכל תא חי, רוב החומר התורשתי חייב לעבור תעתוק מ-DNA ל-RNA על מנת לאפשר קיום פעילות חיים כל שהיא בעזרתו. דהיינו, המידע התורשתי חייב להיות מוצג בצורת RNA למערכת החיה. הדבר מחזק את ההשערה שה-RNA קדם אבולוציונית ל-DNA. הוכחות נוספות מגיעות מתחום האבולוציה של הנגיפים. ישנם נגיפים שהחומר התורשתי שלהם הוא DNA בדומה לתאים החיים וכאלה שהחומר התורשתי שלהם הוא RNA, כפי שהחוקרים מאמינים שהיה החומר התורשתי של התאים הראשונים. נוסף לכך, יש נגיפים שהם נגיפי רטרו (כגון נגיף האיידס) שמחזור חייהם כולל מעבר מ-RNA כחומר תורשתי ל-DNA כחומר תורשתי. כאשר נגיף רטרו חודר לתא, החומר התורשתי שלו "משועתק לאחור" (מכאן השם רטרו) מ-RNA ל-DNA, בשונה מהדוגמה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית. ה-DNA הנגיפי החדש משתלב ב-DNA של התא המאחסן ומשלב זה ה-DNA הנגיפי מתחיל לפעול כאילו הוא חלק מה-DNA של התא המאחסן. ה-RNA וה-DNA הן חומצות גרעין בעלות מבנה דומה מאוד, בהיותן פולימרים של נוקלאוטידים. "השערת עולם ה-RNA" מניחה שבמרק הקדום (primordial soup) היו קיימים נוקלאוטידים חופשיים, אשר חברו לפעמים זה לזה, אך אנרגיית הקשר הייתה נמוכה מדי והקשרים הללו התפרקו. בשלב מסוים נוצרו באקראי מספר פולימרים שהיו מיוצבים יחסית וכך הצליחו לשרוד לאורך זמן. ככל שנוצרו באקראי שרשראות ארוכות יותר הן היו בעלות כושר שרידות רב יותר וכך באמצעות מנגנון ברירה טבעית נוצרו מולקולת ה-RNA הפעילות הראשונות. הסלקציה המשיכה לפעול ונוצרו לאורך זמן מולקולות RNA בעלות יכולות שכפול עצמי משופר, אשר היוו את הבסיס ל-RNA המוכר לנו כיום. לפי ההשערה, מנגנון שיצר יתרון סלקטיבי הוא שיתוף פעולה בין מולקולות RNA שונות, תהליך שבסופו של דבר הוביל ליצירת האב-טיפוס של התא. בסוף של תהליך אקראי ארוך נוסף נוצרו גם מולקולות RNA שיכלו לעזור ביצירת קשרים פפטידיים מחומצות אמינו שתרמו ליצירת החלבונים הראשונים. למולקולת RNA אלו היה יכול להיות יתרון סלקטיבי בכך שהחלבונים שנוצרו יכלו לתרום ליכולת השכפול העצמי שלהם.
אחד הקשיים הראשוניים שבהם נתקלת השערת עולם ה-RNA היא חוסר היציבות שנצפה במולקולת ה-RNA הידועות לנו היום, אשר מתפרקות באמצעות הידרוליזה בקלות רבה. גם ללא הידרוליזה, פירוק מהיר נצפה כתוצאה מקרינת רקע.
אחת האלטרנטיבות לשימוש ב-RNA בעולם הפרה-ביוטי היא לכן שילוב של RNA וחלבון ה-PNA, מולקולה יציבה יותר ואשר מסתמנת כיותר קלה לסינתזה בתנאים ששררו כנראה בעולם הפרה-ביוטי. הסבר אפשרי אחר הוא שהקרינה האולטרה סגולה שהייתה חזקה יותר בעולם הקדום, עזרה לייצב את ה-RNA ופירקה דווקא את הגורמים שפגעו בו כגון אנזים ה-RNAses. קימות בעיות נוספות בהשערה בניסויים דמויי ניסוי מילר-יורי (Miller-Urey-type experiments)[63] שבהם ניסו לייצר חומרים אורגניים בתנאי מעבדה לא נוצרו נוקלאוטידים. שאמורים היו להיווצר משילוב של בסיס חנקני, ריבוז וזרחות, שמשערים שהיו קיימים בעולם הקדום. בעיה נוספת טמונה בעובדה שאחד הנוקלאוטידים, הציטוזין, מתפרק בקלות והמדענים טרם הצליחו להגדיר סימולציה סבירה עבור פעילותו בעולם הפרה-ביוטי. בנוסף, בסימולציות שתיארה היתכנות של היווצרות נוקלאוטידים בעולם הפרה-ביוטי שררו תנאים שאמנם יכלו לאפשר יצירת נוקלאוטידים, אך מנעו יצירת סוכרים המכילים קבוצות פורמאלדהיד רבות. בנוסף הוספת זרחן מהווה בעיה קשה, היות שזה כמעט שאינו קיים בתמיסה ומתנדף בקלות.
על מנת שנוקלאוטידים יתחברו לכדי מולקולת RNA, יש צורך בשפעול אנרגטי. זה יכול לקרות לפורינים על גבי תבנית שכולה פירימידינים, אך הריאקציה אינה מתרחשת בכיוון ההפוך. לפי מבקרי ההשערה, לתהליך יצירת RNA פשוט ביותר, דרושות כשמונה-עשרה ריאקציות בתנאים שונים, ועל מנת ליצור כמות משמעותית של RNA יש צורך שריאקציות אלה יתרחשו באופן רציף על פני מיליוני שנים.
אחד האתגרים שמציבה "השערת עולם ה-RNA" הוא לגלות את המסלול שבו עברה מערכת המבוססת על RNA למערכת המבוססת על DNA. ג'פרי דימר וקן סטדמן, מאוניברסיטת פורטלנד סטייט באורגון, ייתכן ונתנו תשובה לסוגיה זו בעת שערכו סקר של וירוסים באגם חומצי חם בפארק הלאומי לאסן הוולקני, בקליפורניה,Lassen Volcanic National Park. הם מצאו8 ראיות לכך שנגיף DNA פשוט רכש גן מנגיף מבוסס RNA לחלוטין. הוירולוג לואיס ויאריאל מאוניברסיטת קליפורניה באירווין מציע כי וירוסים המסוגלים להמיר גן מבוסס RNA ל-DNA ולאחר מכן לשלב אותו בגנום מורכב יותר מבוסס DNA עשויים היו להיות נפוצים בעולם הנגיפים במהלך המעבר בין RNA ל-DNA. לפני 4 מיליארד שנים.[64][65] ממצא זה מחזק את הטיעון להעברת מידע מעולם ה-RNA לעולם ה-DNA שהתהווה לפני הופעתו של האב הקדמון הכולל.
ראיות נוספות התומכות בתפיסה של עולם RNA נבעו ממחקר על וירואידים, הנציגים הראשונים של "פתוגנים תת-ויראליים".[66][67] רוב הוירואידים הקיימים כיום הם פתוגנים שמדביקים צמחים, ומורכבים מקטעים קצרים של RNA מעגלי, חד-גדילי, לא מקודד וללא מעטה חלבוני. הם קטנים ביותר, מכילים בין 246 ל-467 נוקלאוטידים, זאת בהשוואה לווירוסים הקטנים ביותר הידועים כיום המסוגלים לגרום לזיהום, בעלי גנומים באורך של כ-2,000 נוקלאוטידים.[68]
בהתבסס על תכונותיהם האופייניות, טען ביולוג הצמחים תאודור אוטו דינר ב-1989 כי וירואידים הם שרידים חיים סבירים יותר של עולם ה-RNA מאשר אינטרונים ו-RNA אחרים.[69] השערתו של דינר הורחבה על ידי קבוצת המחקר של ריקרדו פלורס,[70][71] וזכתה לתהודה רבה. סופר מדעי של הניו יורק טיימס פרסם גרסה פופולרית של ההצעה.[72] המאפיינים של וירואידים היו הן גודלם הקטן, והן תכולת גואנין וציטוזין גבוהה, מבנה מעגלי של ה-RNA ומחזוריות מבנית, והיעדר יכולת קידוד חלבון ובמקרים מסוימים, שכפול בתיווך ריבוזים.[71] היבט אחד בו התמקדו מבקרי ההשערה הוא שהמארחים הבלעדיים של כל הוירואידים הידועים, האנגיוספרמים, לא התפתחו עד מיליארדי שנים לאחר החלפת עולם ה-RNA, מה שהופך את הסיכוי של וירואידים להופיע באמצעות מנגנונים אבולוציוניים מאוחרים יותר שאינם קשורים ל-RNA.[73] בין אם הם שרידים של אותו עולם או ממוצא עדכני יותר, תפקידם כ-RNA נחשב כיום כאנלוגי לזה הנחזה בעולם ה-RNA.
הגנומים של התאים הקדומים, הפרוטו-תאים, מורכבים מ-RNA חד-גדילי, וגנים בודדים מתאימים למקטעי RNA נפרדים, במקום להיות מקושרים מקצה לקצה כמו בגנומים של DNA של ימינו. פרוטו-תא שהיה הפלואידי (עותק אחד של כל גן ל-RNA) יהיה פגיע לנזק, שכן נגע בודד בכל מקטע RNA עלול להיות קטלני לפרוטו-תא על ידי חסימת שכפול או עיכוב תפקוד של גן חיוני.[74][75] ניתן להפחית את הפגיעות לנזק על ידי שמירה על שני עותקים או יותר של כל מקטע RNA בכל פרוטו-תא,על ידי שמירה על דיפלואידיות או פוליפלואידיות. יתירות הגנום תאפשר החלפת מקטע RNA פגום בשכפול נוסף של ההומלוג שלו. עם זאת, עבור אורגניזם פשוט כל כך, שיעור המשאבים הזמינים הקשורים בחומר הגנטי יהיה חלק גדול מהמשאב הכולל. בתנאי משאבים מוגבלים, סביר להניח שקצב הרבייה יהיה ביחס הפוך למספר הפלואידי. התמודדות עם גנים RNA פגומים תוך מזעור עלויות אנרגטיות היוותה כנראה בעיה מהותית עבור הפרוטו-תאים המוקדמים. ניתוח עלות-תועלת במסגרתו איזנו עלויות השמירה על יתירות מול עלויות הנזק לגנום.[76] ניתוח זה הוביל למסקנה שתחת מגוון רחב של נסיבות, האסטרטגיה שנבחרה תהיה שכל פרוטו-תא יהיה הפלואידי, אך יתמזג מעת לעת עם פרוטו-תא הפלואידי אחר כדי ליצור דיפלואיד זמני. השמירה על המצב ההפלואידי ממקסמת את קצב הצמיחה. ההיתוכים התקופתיים מאפשרים הפעלה מחדש הדדית של פרוטו-תאים שניזוקו, אם לפחות עותק אחד נטול נזקים של כל גן RNA קיים בדיפלואיד החולף, ניתן ליצור צאצא בר-קיימא. כדי שייווצרו שניים, ולא אחד, תאי בת קיימא ידרשו שכפול נוסף של גן ה-RNA השלם ההומולוגי לכל גן RNA שנפגע לפני חלוקת הפרוטו-תא המאוחד. מחזור הרבייה הפלואידי, עם היתוך מדי פעם למצב דיפלואידי חולף, ואחריו פיצול למצב הפלואידי, יכול להיחשב
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
